JP6677854B2 - 応力分離された微小機械圧力センサを製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、微小機械圧力センサを製造する方法に関する。さらに本発明は微小機械圧力センサに関する。

センサ膜の変形に依存して差圧を測定する微小機械圧力センサが、例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００４００６１９７号明細書により公知である。

半導体抵抗器は、膜に対する圧力作用によって生じる機械的応力だけでなく、機械的な寄生効果による応力も吸収する。２つの最も重要な寄生効果は、次のとおりである：
センサが組み込まれるプリント配線板の変形、
例えば、はんだ付けの温度によるケーシングの変形、
使用される接着剤の温度特性
に基づいて構成及び接続技術（ＡＶＴ）によって結合される応力、及び
カバー層の温度特性に基づいたセンサ素子の固有応力。

部分的には、上記効果は、例えば誘電性のカバー層の場合には適切な調整によって抑制することができる。金属化の影響並びにＡＶＴによって結合される応力は、（例えば、特にはんだ付け時／はんだ付け後の金属のクリープに基づいた）構成部品の経歴に大きく関係している。このような応力は、構成素子の出荷前の調整によって補正することはできない。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２０１５１１６３５３号明細書は、微小集積化され、封入され、機械的に分離されたＭＥＭＳセンサ及びその製造方法を開示している。この場合、ＳＯＩ基板に作製された圧力センサは、例えばＨＦ気相エッチングによって、埋設された酸化層を後面からエッチングすることにより解放される。この場合、エッチングガスの供給は、ウェーハ後面のシリコン内にあらかじめ掘られたアクセス孔を介して行われる。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００４００６１９７号 ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２０１５１１６３５３号

本発明の課題は、動作特性が改善された微小機械圧力センサのための代替的な製造方法を提供することである。

この課題は、第１態様によれば、微小機械圧力センサを製造する方法であって、
シリコン基板及びシリコン基板の内部のセンサ膜の下方に形成された第１キャビティを有するＭＥＭＳウェーハを設けるステップと、
第２ウェーハを設けるステップと、
ＭＥＭＳウェーハと第２ウェーハとを接合するステップと、
シリコン基板の内部にセンサ膜を形成するステップと、
後面からセンサコアを解放するステップであって、センサコアとシリコン基板の表面との間に第２キャビティを形成し、変更された所定のエッチングパラメータによって行われるエッチングプロセスによって第２キャビティを形成するステップと
を備える方法によって解決される。

このようにして、圧力センサ膜が全ての側で解放されている微小機械圧力センサが提供され、これにより効果的な応力分離構造が実現される。エッチング方式の変更によって、シリコン基板の内部に必要な第２キャビティを設けることが可能である。このようにして、汚染からの効果的な保護及び微小機械圧力センサに対する媒体のアクセスが同時に得られる。このようにして微小機械圧力センサの誤信号を大幅に低減することができ、これにより圧力センサの動作特性が改善される。ＭＥＭＳウェーハと接合される第２ウェーハの支持作用によって、全てのプロセスを後面から快適に実施することができる。

第２態様によれば、この課題は、微小機械圧力センサであって、
シリコン基板内に形成された圧力センサコアであって、センサ膜を有し、センサ膜内に第１キャビティが形成されている、圧力センサコアと、
シリコン基板内のセンサコアの上方に形成された第２キャビティとを備え、
第２キャビティがエッチングプロセスにより作製されており、エッチングプロセスのエッチングパラメータがエッチングプロセスにおいて所定のように変更されている、微小機械圧力センサによって解決される。

微小機械圧力センサを製造する方法の好ましい実施形態が従属請求項の対象である。

この方法の好ましい実施形態では、第２キャビティを形成するためのエッチングプロセスは、異方性により開始され、所定のように等方性により継続される深堀反応性イオンエッチングプロセスである。このようにして、好ましくは第２キャビティを形成するために公知のエッチングプロセスを使用することができる。

方法の好ましい別の実施形態では、垂直方向のエッチングプロセスによって第２キャビティを形成するために、シリコン基板にアクセス開口が作製され、垂直方向のエッチングプロセスが横方向のエッチングプロセスに変更され、横方向のエッチングプロセスにより生じた球状のエッジング前端が一体になる。これにより、好ましくは公知のエッチングプロセスの固有の特性が第２キャビティを設けるために利用される。方法の別の好ましい実施形態は、深堀反応性イオンエッチングプロセス後にエッチングプロセスのパッシベーション・スパッタリングコンポーネントが停止されることを特徴とする。これにより、第２キャビティを作製するために効果的に公知のエッチングプロセスを適合させるための措置が講じられる。

方法の好ましい別の実施形態は、全てのエッチングプロセスが最初から所定のように等方性により形成されている。このようにして、好ましくは代替的な製造方法が提供される。

方法の別の好ましい実施形態は、エッチングプロセスによって最初から下方に拡大する台形状のエッチング前端が形成されるように構成されている。このようにして、好ましくは下方に形成され、台形状に拡大するエッチング方式が提供され、これにより、好ましくはエッチングガスの注入が容易になる。さらに、これによりエッチング時間を低減し、全てのプロセスを良好に制御することができる。

方法の別の好ましい実施形態では、第２ウェーハがパッシブな基板ウェーハ又はＡＳＩＣウェーハとして構成されている。これにより、好ましくは第２ウェーハを形成するための異なる可能性が実現される。

方法の別の好ましい実施形態は、微小機械圧力センサがピエゾ抵抗式の圧力センサとして、又は容量式の圧力センサとして形成されるように構成されている。このようにして、技術的に異なる種類の微小機械圧力センサを実現することができる。

次に本発明のさらなる特徴及び利点を複数の図面に基づいて説明する。同じ要素又は機能が同じ要素は同じ符号を有している。図面は、特に本発明にとって重要な原理を明確化するためのものであり、必ずしも正確な縮尺で作成されていない。見やすくするために、全ての図面に全ての符号を示していない。

開示された方法の特徴は、開示された対応する装置の特徴からも得られ、またその逆もいえる。このことは、特に微小機械圧力センサを製造する方法に関する特徴、技術的利点、及び構成が同様に微小機械圧力センサの対応する特徴、技術的利点、及び構成からも得られ、またその逆もいえることを意味する。

提案した微小機械圧力センサを製造する方法を説明する横断面図である。 提案した微小機械圧力センサを製造する方法を説明する横断面図である。 提案した微小機械圧力センサを製造する方法を説明する横断面図である。 提案した微小機械圧力センサを製造する方法を説明する横断面図である。 微小機械圧力センサを製造する代替的な方法を説明する横断面図である。 微小機械圧力センサを製造する代替的な方法を説明する横断面図である。 提案した微小機械圧力センサの可能な最終加工を示す図である。 提案した微小機械圧力センサの可能な最終加工を示す図である。 微小機械圧力センサを製造する方法の一実施形態の原理的なフロー図である。

本発明の核心をなす概念は、微小機械圧力センサのために改善された製造方法を提供することである。このために、簡単で安価なＳｉ基板によって実施できる特別に構成されたエッチング方法が提案される。このようにして、微小機械圧力センサにおいて外部の粒子もしくは外部の湿気に対する保護手段をも実現する効率的な応力分離構造が達成される。

わかりやすくするために、本発明にとって重要ではない構造もしくは素子は詳細に説明しない。

図１は、シリコン基板１１を有する第１ウェーハ１０の横断面図を示し、シリコン基板１１には誘電性のカバー層１５が配置されている。シリコン基板１１の内部には第１アクセス開口１４が形成されており、さらに第１キャビティ１３が形成されている。第１キャビティ１３の下方にはバルクシリコン１３ａが示されている。金属化要素１６は、第２ウェーハ３０との共晶接合部２０を形成するために用いられる。

図２は、図１の配置を１８０度だけ回動して示しており、好ましくは、第１ウェーハ１０は第２ウェーハ３０と共晶接合されており、これにより、接合部２０が形成されている。第２ウェーハ３０はＡＳＩＣウェーハとして構成されていてもよいし、又は代替的にパッシブな基板ウェーハ（図示しない）として構成されていてもよい。ＡＳＩＣウェーハの場合には、第２ウェーハ３０はＡＳＩＣ基板３１及びその上に配置された機能層３２を含む。このようにして形成されたスタックには、後続の構造化ステップにおける加工時間を短縮し、構成部品高さを低減するために、（例えば研磨によって）バックグラインドを施すことができる。

図３は、接合された両方のウェーハ１０，３０の横断面図を示す。次のステップでは、フォトリソグラフィによってシリコン基板１１に孔パターンが作製される。この孔パターンは続いて、好ましくは垂直方向もしくは異方性エッチングプロセスによって、好ましくは深堀反応性イオンエッチング（英語：ｄｅｅｐ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ，ＤＲＩＥ）の形式でエッチングされる。これにより、第２アクセス開口１７がシリコン基板１１に形成される。第２アクセス開口１７のエッチングはシリコン基板１１のバルクシリコン内で止まる。この構造化ステップは、例えば接合範囲（英語ではｂｏｎｄｌａｎｄｓ）又は鋸刃溝へのアクセスを形成する大面積のエッチング孔を他の範囲に作製するためにも使用することができる。

さらなるプロセスでは、パッシベーション・スパッタリングコンポーネントを停止することにより、上記ＤＲＩＥエッチングプロセスにおいて、方向づけられていない、もしくは等方性のさらなるエッチングによって、第２アクセス開口１７の底部にアンダエッチエッチングが達成される。止まり穴を有する範囲により、センサコアとの機械的な接触のない解放された格子が得られる。このステップで、ワイヤボンディング範囲もしくは鋸刃状溝範囲をエッチングすることができる。

図４は、第２アクセス開口１７を形成する場合に変更された上記エッチング方式の結果を示す。変更されたエッチングパラメータに基づいて、シリコン基板１１には球状のエッチング前端が一体になり、このようにして第２キャビティ１８を形成している。第２キャビティ１８は、第１アクセス開口１７によってシリコン基板１１に形成された格子によって残りの基板から分離される。圧力センサコアは、給電線（図示しない）を備えるばね１９によって残りの基板に結合されている。

これにより、結果として、一貫した第１アクセス開口１４、第２キャビティ１８、及び一貫した第２アクセス開口１７によって、センサ膜１２のために、全ての側の解放が得られ、これにより、外部で作用する機械応力に対して機械的分離構造が得られる。これにより、電気的なアクセス及び圧力センサコアの機械的な固定は別として、好ましくは圧力センサコアでチップ縁部の機械的な影響を最小限にするために、圧力センサコアの全ての側の機械的分離が得られる。

この場合、好ましくは第２アクセス開口１７の直径は、圧力センサの媒体アクセスのために適したアクセス経路が得られるように寸法決めされる。このようにして、第２アクセス開口１７は、（例えば水しぶきに起因する）粒子及び／又は湿気からの圧力センサコアの効果的な保護をも実現する。

このようにして、上記構造のために必要な中空スペースがエッチングプロセスによって第２キャビティ１８の形式で設けられ、プロセスの実行時にはエッチングパラメータが変更される。第２キャビティ１８の内部には、等方性エッチング段階の結果として部分的に球状の面が形成されていることがわかる。

図５は、代替的な方法によって製造された微小機械圧力センサ１００の横断面図を示す。この場合、第２アクセス開口１７が一様に拡大するエッチング前端によって形成されており、シリコン基板１１の上面から下方に向かって台形状に拡大していることがわかる。これは、上記ＤＲＩＥプロセスが制御され、第２アクセス開口１７によって基板後面に定義されている個々のエッチング前端がプロセスが進行するにつれて合流し、統一されたエッチング前端としてシリコン基板１１の後面もしくは上面から圧力センサコアを分離することによって達成することができる。

したがって、図６からわかるように、結果として第２キャビティ１８はシリコン基板１１の表面及び側方に向かって台形状のエッチング前端により形成される。その結果、エッチングガスを容易に注入することができ、エッチングプロセス全体を好ましくは良好に制御することができる。

図７及び図８は、微小機械圧力センサ１００のための後続の最終加工ステップの結果を示す。図７には、電気的なスルーホール４１及びはんだボール５０による微小機械圧力センサ１００の電気接続が示されている。

図８は、微小機械圧力センサ１００のために安定した堅牢なケーシングが提供されるように成形材によりインサート成形された微小機械圧力センサ１００を示す。好ましくは、このようにしてシリコン基板１１を有する安価な第１ウェーハ１０を備え、応力分離された圧力センサが提供される。したがって、第１ＭＥＭＳ‐ウェーハ１０のために、例えばＳＯＩ基板の形式の高価な基板を使用する必要はない。これにより、応力分離された微小機械圧力センサを製造する場合に、好ましくはコスト面で利点が得られる。

好ましくは、微小機械圧力センサ１００はピエゾ抵抗式の圧力センサとして形成されているが、容量式の微小機械圧力センサとして実現することも可能である。

図９は、微小機械圧力センサ１００を製造する方法の原理的なフロー図を示す。

ステップ２００では、シリコン基板１１及びシリコン基板１１の内部のセンサ‐シリコン膜１２の下方に形成された第１キャビティ１３を有するＭＥＭＳ‐ウェーハ１０が設けられる。

ステップ２１０では第２ウェーハ３０が設けられる。

ステップ２２０ではＭＥＭＳ‐ウェーハ１０と第２ウェーハ３０との接合が行われる。

最後に、ステップ２４０では後面からセンサコア１２，１３，１３ａの解放が行われ、センサコア１２，１３，１３ａとシリコン基板１１の表面との間に第２キャビティ１８が形成され、第２キャビティ１８は、所定のように変更されたエッチングパラメータによって実施されるエッチングプロセスによって形成される。

要約すれば、本発明によって、微小機械圧力センサを製造する方法が提案され、この方法によって安価に応力分離構造を設けることができる。これは、第１ウェーハの内部の圧力センサ膜の上方に第２キャビティを形成する場合に、エッチング方式を変更することによって達成される。

具体的な適用例に基づいて本発明を説明したが、専門家であれば、本発明の核心から逸脱することなしに、ここに開示されていない実施形態又は部分的にのみ開示された実施形態を実現することができる。

Claims (11)

1. 微小機械圧力センサ（１００）を製造する方法であって、
   シリコン基板（１１）及び該シリコン基板の内部のセンサ膜（１２）の下方に形成された第１キャビティ（１３）を有するＭＥＭＳウェーハ（１０）を設けるステップと、
   第２ウェーハ（３０）を設けるステップと、
   前記ＭＥＭＳ‐ウェーハ（１０）の下側と前記第２ウェーハ（３０）の上側とを接合するステップと、
   前記ＭＥＭＳ‐ウェーハ（１０）の上側からバルクシリコン（１３ａ）、前記センサ膜（１２）、及び前記第１キャビティ（１３）を有するセンサコア（１２，１３，１３ａ）を解放するステップであって、前記センサコア（１２，１３，１３ａ）前記とシリコン基板（１１）の表面との間に第２キャビティ（１８）を形成し、該第２キャビティ（１８）へのアクセス孔（１７）を形成するために使用されるエッチングパラメータに対して所定のように変更されえたエッチングパラメータによって第２キャビティ（１８）を形成する、ステップと
   を備える、微小機械圧力センサを製造する方法。
2. 請求項１に記載の方法において、
   前記第２キャビティ（１８）を形成するために、エッチングプロセスが、異方性により開始され、所定のように等方性により継続される深堀反応性イオンエッチングプロセスである、方法。
3. 請求項１又は２に記載の方法において、
   垂直方向のエッチングプロセスによって前記第２キャビティ（１８）を形成するために、前記シリコン基板（１１）にアクセス開口（１７）を作製し、垂直方向のエッチングプロセスを横方向のエッチングプロセスに変更し、横方向のエッチングプロセスにより生じた球状のエッジング前端を一体にする、方法。
4. 請求項２又は３に記載の方法において、
   深堀反応性イオンエッチングプロセス後にエッチングプロセスのパッシベーション・スパッタリングコンポーネントを停止する、方法。
5. 請求項１に記載の方法において、
   全てのエッチングプロセスを最初から所定のように等方性により形成する、方法。
6. 請求項５に記載の方法において、
   エッチングプロセスによって下方に拡大する台形状のエッチング前端を形成する、方法。
7. 請求項１から６までのいずれか１項に記載の方法において、
   前記第２ウェーハ（３０）がパッシブな基板ウェーハ又はＡＳＩＣウェーハである、方法。
8. 請求項１から７までのいずれか１項に記載の方法において、
   前記微小機械圧力センサ（１００）をピエゾ抵抗式の圧力センサとして形成するか、又は容量式の圧力センサとして形成する、方法。
9. 微小機械圧力センサ（１００）であって、
   シリコン基板（１１）及び該シリコン基板の内部のセンサ膜（１２）の下方に形成された第１キャビティ（１３）を有するＭＥＭＳウェーハ（１０）と、
   該ＭＥＭＳ‐ウェーハ（１０）の下側でＭＥＭＳ‐ウェーハ（１０）に接合された第２ウェーハ（３０）と、
   前記シリコン基板（１１）の内部に形成されたセンサコア（１２，１３，１３ａ）であって、バルクシリコン（１３ａ）及びセンサ膜（１２）を有し、該センサ膜（１２）の内部に第１キャビティ（１３）が形成されている、センサコア（１２，１３，１３ａ）と、
   前記シリコン基板（１１）の内部の前記センサコア（１２，１３，１３ａ）の上方に形成された第２キャビティ（１８）と
   を備え、
   該第２キャビティ（１８）が、第２キャビティ（１８）へのアクセス孔（１７）を形成するために使用されるエッチングパラメータに対して所定のように変更されたエッチングパラメータによって形成されている、微小機械圧力センサ（１００）。
10. 請求項９に記載の微小機械圧力センサ（１００）において、
    前記第２キャビティ（１８）を形成するために、異方性により開始され、所定のように等方性により継続される深堀反応性イオンエッチングプロセスによって微小機械圧力センサ（１００）が形成されている、微小機械圧力センサ（１００）。
11. 請求項１０に記載の微小機械圧力センサ（１００）において、
    前記微小機械圧力センサ（１００）の前記第２キャビティ（１８）が、ピエゾ抵抗式又は容量式の圧力センサである、微小機械圧力センサ（１００）。

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